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從鍵盤到電容筆再到全面屏,盤點觸控技術的發展與未來趨勢

? ? 觸控面板也叫觸摸屏(Touch Panel, or Touch Screen, or Touch Pad, etc),凡是電子設備都要用到屏幕,如果你不想讓你的屏幕被無聊的鍵盤占據一半面積,就必須要使用觸摸屏作為人機對話的媒介,觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設備,它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌,是極富吸引力的全新多媒體交互設備。


觸控技術的發展與未來趨勢


? ? 觸控面板最早結緣于1965年E.A. Johnson一篇簡短的描述電容觸摸屏的文章,繼而1967年深度發表有圖有真相的文章。再到1970年由兩位CERN(European Council for Nuclear Research)的兩位工程師在1970年代初期發明的透明觸控面板,并且與1973年投入使用。再后來到1975年一個美國人George Samuel Hurst發明了電阻式觸控面板并拿到美國專利(#3,911,215),并與1982年投入商用。


? ? 觸控面板的技術要點


? ? 從技術原理角度來講,觸摸屏是一套透明的絕對定位系統,首先它必須保證是透明的;其次它是絕對坐標,手指摸哪就是哪,不像鼠標需要一個光標作為相對定位用,所以很容易分散注意力,因為你要時時關注光標在哪里。


? ? 究其結構通常是在半反射式液晶面板上(ITO透明導電極)覆蓋一層壓力板,其對壓力有高敏感度,當物體施壓于其上時會有電流信號產生并且定出壓力源位置,并可動態追蹤。


? ? 這種就是我們媒體報道的on-cell技術?,F在亦有In cell Touch觸控組件集成于顯示面板之內,使面板本身就具有觸控功能,不需另外進行與觸控面板的貼合與組裝即可達到觸控的效果與應用,主要是Apple在研究。


? ? 觸摸屏種類


? ? 1. 電阻式觸摸屏


? ? 模擬電阻式屏


? ? 模擬電阻式觸摸屏就是我們通常所說的"電阻屏",是利用壓力感應進行控制的一種觸摸屏。


? ? 它采用兩層鍍有導電功能的ITO塑料膜,兩片ITO設有微粒支點,使屏幕在未被壓按時兩層ITO間有一定的空隙,處于未導電的狀態。


? ? 當操作者以指尖或筆尖壓按屏幕時,壓力將使膜內凹,因變形而使ITO層接觸導電,再通過偵測X軸、Y軸電壓變化換算出對應的壓力點,完成整個屏幕的觸控處理機制。


? ? 目前,模擬電阻式觸摸屏有4線、5線、6線與8線等多種類型。線數越多,代表可偵測的精密度越高,但成本也會相對提高。


? ? 另外,電阻屏不支持多點觸控、功耗大、壽命較短、同時長期使用會帶來檢測點漂移,需要校準。但是電阻屏結構簡單、成本較低,在電容式觸摸屏成熟以前,一度占據大部分觸摸屏市場。


? ? 數字式電阻屏


? ? 數字式電阻屏的基本原理與模擬式的相似,與模擬式電阻屏在玻璃基板上均勻涂布ITO層不同,數字式電阻屏只是利用帶有ITO條紋的基板。其中,上下基板的ITO條紋相互垂直。


? ? 數字式電阻屏更加類似于一個簡單的開關,因此通常被當做一個薄膜開關來使用。數字式電阻屏可以實現多點觸控。


? ? 2. 電容式觸摸屏


? ? 表面電容式


? ? 表面電容式觸摸屏是通過電場感應方式感測屏幕表面的觸摸行為。它的面板是一片涂布均勻的ITO層,面板的四個角各有一條出線與控制器相連接,工作時觸摸屏的表面產生一個均勻的電場。


? ? 表面電容式觸摸屏的特點是使用壽命長、透光率高,但是分辨率低、不支持多點觸控。


? ? 目前,主要應用于大尺寸戶外觸摸屏,如公共信息平臺、公共服務平臺等產品上。


? ? 投射式電容屏


? ? 投射電容式觸摸屏利用的是觸摸屏電極發射出的靜電場線進行感應。投射電容傳感技術可分為兩種:自我電容和交互電容。


? ? 自我電容又稱絕對電容,它把被感覺的物體作為電容的另一個極板,該物體在傳感電極和被傳感電極之間感應出電荷,通過檢測該耦合電容的變化來確定位置。但是如果是單點觸摸,通過電容變化,在X軸和Y軸方向所確定的坐標只有一組,組合出的坐標也是唯一的。如果在觸摸屏上有兩點觸摸并且這兩點不在同一X方向或者同一Y方向,在X和Y方向分別有兩個坐標投影,則組合出4個坐標。顯然,只有兩個坐標是真實的,另外兩個就是俗稱的"鬼點"。因此,自我電容屏無法實現真正的多點觸摸。


? ? 交互電容又叫做跨越電容,它是通過相鄰電極的耦合產生的電容,當被感覺物體靠近從一個電極到另一個電極的電場線時,交互電容的改變會被感覺到。當橫向的電極依次發出激勵信號時,縱向的所有電極便同時接收信號,這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點的電容值大小,即整個觸摸屏的二維平面的電容大小。當人體手指接近時,會導致局部電容量減少,根據觸摸屏二維電容變化量數據,可以計算出每一個觸摸點的坐標,因此屏上即使有多個觸摸點,也能計算出每個觸摸點的真實坐標。


? ? 在上述兩種類型的投射電容式傳感器中,傳感電容可以按照一定方法進行設計,以便在任何給定時間內都可以探測到手指的觸摸,該觸摸并不局限于一根手指,也可以是多根手指。


? ? 2007年以來蘋果公司iPhone、iPad系列產品取得巨大成功,投射式電容屏開始了噴井式的發展,迅速取代電阻式觸摸屏,成為現在市場的主流觸控技術。


? ? 3. 紅外線式觸摸屏


? ? 紅外觸摸屏是利用X、Y方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。


? ? 紅外觸摸屏在顯示器的前面安裝一個電路板外框,電路板在屏幕四邊排布紅外線發射管和紅外接收管,一一對應成橫豎交叉的紅外矩陣。用戶在觸摸屏幕時,手指就會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線。據此,可以判斷出觸摸點在屏幕的位置。


? ? 紅外線式觸摸屏具有透光率高、不受電流、電壓和靜電的干擾、觸控穩定性高等優點。但紅外觸摸屏會受環境光線的變化、會受到遙控器、高溫物體、白熾燈等紅外源的影響,而降低它的準確度。


? ? 早期紅外觸摸屏出現于1992年,分辨率只有32×32,易受環境干擾而誤動作,且要求在一定的遮光環境中使用。


? ? 經過20年的發展,目前先進的紅外線式觸摸屏在正常工作環境下壽命大于7年,在跟蹤手指移動軌跡的時候,精度、平滑度和跟蹤速度都可以滿足要求,用戶的書寫可以十分流暢地轉換成圖像軌跡,完全支持手寫識別輸入。


? ? 紅外式觸摸屏主要應用于無紅外線和強光干擾的各類公共場所、辦公室以及要求不是非常精密的工業控制場所。


? ? 4. 聲波式觸摸屏


? ? 表面聲波式觸摸屏


? ? 表面聲波式觸摸屏是通過聲波來定位的觸控技術。


? ? 在觸摸屏的四角,分別粘貼了X方向和Y方向的發射和接收聲波的傳感器,四周則刻有45°的反射條紋。當手指觸摸屏幕時,手指吸收了一部分聲波能量,而控制器則偵測到接收信號在某一時刻上的衰減,由此可計算出觸摸點的位置。


? ? 表面聲波技術非常穩定,精度非常高,除了一般觸摸屏都能響應的X和Y坐標外,還響應其獨有的第三軸Z軸坐標,也就是壓力軸響應。


? ? 在所有類型的觸摸屏中,只有表面聲波觸摸屏具有感知觸摸壓力的性能。表面聲波觸摸屏不受溫度、濕度等環境因素影響,清晰度較高、透光率好、高度耐久、抗刮傷性良好、反應靈敏、壽命長,能保持清晰透亮的圖像質量,沒有漂移,只需安裝時一次校正,抗暴力性能好,最適合公共信息查詢及辦公室、機關單位及環境比較清潔的公共場所使用。


? ? 彎曲聲波式觸摸屏


? ? 彎曲聲波式觸摸屏是基于聲音脈沖識別的技術。


? ? 當物體觸碰到觸摸屏表面時,傳感器將會探測聲波的頻率,通過將該頻率與預先存儲在芯片內的標準頻率對比,確定觸摸點的位置。


? ? 表面式觸摸屏的聲波沿著基板表面傳播,而彎曲式的聲波在基板內部傳播,所以彎曲式的抗環境干擾性能優于表面式。目前彎曲式觸摸屏一般用于5寸以上的信息亭、金融設備和販賣機等。


? ? 5. 光學成像式觸摸屏


? ? 光學成像式觸摸屏是一種利用光來定位的觸控技術,在屏幕的四角分別設置發光源和光線捕捉感應器,當物體觸碰到觸摸屏表面,光線發生變化,觸控IC模塊分析光線感應器的變化確定觸控的位置。


? ? 光學成像式觸摸屏耐久性高,適合在復雜的環境下使用,并且支持多點觸控,但是容易受到環境光線、灰塵、昆蟲等的影響發生誤識別。


? ? 6. 電磁感應式觸摸屏


? ? 電磁感應式觸摸屏的感應器設置在顯示屏之后,感應器在顯示器表面產生一個電磁區域,電子筆觸碰到顯示器表面時,感應器可以通過計算電磁的改變來確定觸控點的位置。


? ? 相比于其他觸摸屏技術,電磁感應式觸摸屏的精確度和分辨率是最高的,耗電量低,更加輕薄,特別適合在戰爭環境和建筑環境下使用,目前該技術主要應用在美國軍方。


? ? 其他觸摸屏技術目前市場上除了上述觸控技術外,還有壓力感應式、數字聲波導向式、振蕩指針式等多種觸控技術,一般用于特殊用途。


? ? 諾基亞將觸控屏帶入手機行業


? ? 蘋果將觸控屏發揚光大


? ? 早在智能手機市場還屬于諾基亞的年代,手機的觸控屏還在用電阻屏技術。就在2004年11月諾基亞就推出了帶有可觸控的手機——諾基亞7710,其屏幕就是采用電阻屏技術;在2008年發布的諾基亞5800 XpressMusic同樣搭載了此項技術,它也是首款采用觸控技術的S60平臺。


? ? 正是諾基亞5800的問世,才讓廣大消費者知道了“電阻屏”這個概念。手機一經推出,就受到了無數消費者的追捧,“瞬間”成為了“街機”。隨后在2009年發布的繼任者諾基亞5230更是將這一榮譽“發揚光大”,其當年銷售量更達到了1.5億部。


? ? 2007年1月9日,在大洋彼岸的另一頭,位于美國舊金山的馬士孔尼會展中心,正在舉行蘋果公司全球開發者大會,喬布斯在臺上展示全新革命性產品iPhone。隨著手機屏幕在喬布斯指尖流暢的滑動,臺下的觀眾尖叫起來,他們在為喬布斯和iPhone吶喊。


? ? 這部iPhone則是采用了與諾基亞不同的觸控解決方案——電容式觸控技術。而這項技術的關鍵是在玻璃基板兩面組成電極結構,蘋果通過與臺灣的觸摸屏制造商宸鴻經過無數日日夜夜的鉆研,終于研制出符合要求的電容屏。如果沒有宸鴻的“透明玻璃投射式電容技術”,iPhone這個劃時代的產品很可能會難產。也正是這個“電容屏”技術的落地,才讓喬布斯手中的iPhone改變了世界,帶來了更好的觸控體驗。


? ? 經過多年的發展,如今的智能手機產品均已搭載電容式觸控屏技術?,F如今的智能手機不僅擁有更好的觸控體驗,同時在屏幕刷新率、功耗、顯示色彩等方面均有了較大提升??梢哉f,觸控改變了近30年來人與手機的交互的方式,給我們帶來更為便捷的操作體驗,讓交互變得更加直接。


? ? 看到這,肯定會有不少人會疑惑,電阻屏技術為什么在智能手機設備上消失了?這就涉及到了觸摸屏技術難以跨越的障礙———透光率。


? ? 因為電阻屏是一種傳感器,其結構就是PET薄膜加上玻璃,在PET薄膜和玻璃之間涂有ITO(氧化銦錫)涂層,ITO具有很好的導電性,當PET薄膜被觸摸時它會向下彎曲,這時候下面的ITO涂層能夠相互接觸并在該點連通電路,再經過傳感器傳出相應電信號,經過轉換電路送到處理器,通過計算就能轉換為屏幕上的X、Y值,從而完成點選動作。


? ? 眾所周知,玻璃是透光率最好的材料,但電阻屏因為需要有物理形變,所以外層PET膜沒法做成鋼化玻璃或者其它堅硬的材料。故此,無論是耐用性還是透光性都會有很大的光損失,外加多層結構的原因,更是加劇了光損失的特性。同樣是因為結構原因,屏幕結構太多太復雜,并不利于做出輕薄化的機身,也不符合智能手機的發展方向。


? ? 此外,電阻屏在操作方式上需要用較大力氣才能實現觸控,在操作方式上也不是很理想;同時因為技術問題,也無法實現更高的分辨率。綜合種種原因,電阻屏已經淡出了個人消費電子領域。


? ? 當然,電阻屏因為有著抗干擾性強、不易誤觸等優點在工業領域依然受到青睞。比如在工業場景中環境比較惡劣,很容易發生漂移的現象且不能帶手套操作。電阻屏更加適合這種復雜的工業場景,可以帶手套操作,可以使用任何物體來觸控,抗電磁干擾能力更強。


? ? 隨著互聯網的快速發展,手機不僅僅是作為移動通訊工具來使用,過去那些打電話、發文字信息等方式如今都被瀏覽網頁、查看圖片、觀看視頻等內容所取代,這就對顯示屏的視覺效果提出了很高的要求,這其中屏幕亮度就是一個非常重要的指標。因為玻璃有較高的透光率,所以目前智能手機產品顯示外屏均采用的是玻璃材質。相比之下,電容屏不僅技術非常成熟,而且結構相對簡單,更容易做保功能上也比電阻屏更強大,不僅可以支持更好的多點觸控技術,特別是顯示效果要比電阻屏好很多,能夠滿足多樣化的交互需求。


? ? 如今,觸摸屏技術也在慢慢發展,除了電阻式和電容式觸摸屏,現在還出現一種新的觸摸屏技術,也就是壓感式觸摸屏。例如蘋果公司在2015年9月發布的iPhone 6s手機,就帶有屏幕壓感技術,官方稱之為“3D Touch”。 通過在顯示模組的下方增加了一層壓力傳感器,當手指按下后造成屏幕顯示模組細微形變得差異,來感知力度的大小,從而實現三維觸控的新功能。但最后因為功能“感知不強”、成本、軟件適配等原因,最終這個功能被取消。


? ? VR時代的全新觸控技術


? ? 一、力反饋操縱桿:可360度旋轉,感知虛擬物體軟硬


? ? 2019年的國際消費電子展會(CES)上,瑞士的VR搖桿設備研發商Foldaway Haptics展示了一種帶有力反饋的觸覺操縱桿。該款設備采用折紙狀結構,可以360度旋轉并向任何方向傾斜。它能夠像一個普通的操縱桿一樣工作,類似于人們用拇指控制無人機控制器、游戲手柄上的搖桿,更重要的是它能夠在任何方向上推拉用戶的拇指,比一般搖桿的運動幅度更大,方便了用戶的操作。


? ? 在本次展會上,Ben Lang使用該款操縱桿和中國臺灣消費電子公司HTC的VIVE頭顯,體驗了Foldaway Haptics開發的一個小型演示游戲。在游戲中,他看到了一個高度差不多到人類腰部的微型卡通農場,還有幾只動物在農場里跑來跑去。當他伸手去抓動物時,需要按下拇指桿,將動物“抓”在他的手和拇指之間。抓住動物后,拇指桿會變得僵硬,讓人們確定他們已經抓住了一些東西。


? ? 每只動物的觸覺特性都略有不同。例如,豬會有點“軟”,它可以讓人們用拇指輕松地推動操縱桿。企鵝“更硬”,所以拇指桿會給人施加更大的阻力。


? ? 除了向上和向下方向的力反饋之外,操縱桿不僅可以向后推,還可以依靠人們的手指進行360度旋轉。更重要的是它能通過力反饋觸覺技術將力的方向傳遞給用戶,而其他VR頭顯操縱桿中簡單的震動觸覺無法傳遞方向信息。


? ? 二、VR Touch系統:可感知抓取和觸摸等多種觸覺


? ? 在2017年第四屆硅谷虛擬現實大會(SVVR 2017)上,法國觸覺反饋硬件開發商Go Touch VR演示了名為VR Touch的觸覺反饋系統。VR Touch由一塊裝有馬達的扁平塑料片和一個尼龍搭扣松緊帶組成,它可以通過塑料片在人們指尖頂部提供不同的力,并利用松緊帶將塑料片固定在指尖部位。


? ? 現在,比較常見的VR力反饋方式是震動,非常適用于各類射擊游戲,能夠用戶提高射擊游戲的體驗感。通常來說,震動擁有很好的提醒作用,例如手機震動可以提醒用戶,但在一個虛擬世界中,人們的注意往往會被多種事物所吸引,震動不能夠給人明顯的反饋。如果用戶在進行一項精度比較高的操作時,震動有可能還會成為一種干擾。


? ? VR世界中的很多操作很難通過震動傳達有意義的、直接的反饋,比如抓取、觸摸和操縱對象等動作,但VR Touch觸覺技術則在這些方面表現更為出色。它可以讓用戶用手指觸摸和抓取物體感受到力的壓迫,給他們一種物體直接推到他們手指上的錯覺。


? ? 此外,Go Touch的觸覺解決方案非常簡單和便宜,因為它的設計很容易與一副VR手套配對,或者作為一個單獨的模塊綁在人們的手指末端以提供觸覺感受。


? ? 三、ThermoReal技術:在虛擬世界切實感知冷熱


? ? 2017年,韓國VR體感外設制造商TEGway研發了一項名為ThermoReal的熱觸覺技術,希望探索熱觸覺技術在沉浸式游戲中的可行性。


? ? Ben Lang說:“我嘗試過幾種不同的熱觸覺設備,但都不能真正讓我印象深刻。因為它們不會讓我感覺到特別熱或冷,再加上其需要很長時間才能激活,所以讓我很難因虛擬世界中的某件事感到冷或者熱。但在2017年Vive X Batch 2演示日中,我試用了ThermoReal熱電皮膚,這讓我第一次相信了熱觸覺技術的可行性?!?/span>


? ? ThermoReal是一種基于塞貝克效應的熱電發電機,它的反應速度非???,能夠立刻反應熱和冷的感覺。不僅是速度,該設備熱效應和冷效應的反應程度也很厲害,能夠讓人明顯感覺到非常熱,甚至有一種燒傷的錯覺。


? ? 像ThermoReal這樣的熱電發電機很常見。TEGway發言人認為,他們設備的外形尺寸是更重要的創新。該設備采用柔性皮膚狀導體陣列,可以彎曲并纏繞在各種物體的表面,這使其非常適合集成到VR控制器、手套甚至套裝中。


? ? 到2020年,該公司已將該技術應用于手臂、手部和VR頭顯的配件中。在演示游戲中,對面的玩家向用戶投擲火球或雪球,用戶接到火球或雪球后就可以通過該款手套感受到溫度變化。如果火球或雪球擊中臉部,用戶依托前額安裝的觸覺單元,就能感覺到拋來物體的溫度。


? ? 四、3DHaptics控制器:超精準感知力的方向


? ? 2018年,日本觸覺公司MIRAISENS研發了一款名為3DHaptics的觸覺感知設備,能讓用戶用一個較小的力精準感知力的方向。對此,Ben Lang談道:“在體驗過3DHaptics控制器后,它做到了一些我以前認為不可能的事情,比如大大提高了用戶感知力的方向的準確率?!?/span>


? ? 這款不起眼的原型設備僅靠使用者的雙手支撐,用振動來產生外力,并在特定方向上推動或拉動使用者的手。它不會提供一個特別大的力量,但其力的方向非常準確。在體驗中,Ben Lang能100%猜對測試人員隨機給出的力的方向。


? ? 該公司告訴Ben Lang,與現在大多數VR控制器中的觸覺引擎相同,3DHaptics控制器只包含兩個進行傳感的線性諧振執行器(LRA),不同的是,它可以利用LRA的獨特頻率和波形讓自己能夠準確感知力的方向。為此,MIRAISENS還申請了多項專利以支撐起其底層技術。


? ? 五、HaptX Gloves:采用兩種反饋裝置,觸感極為逼真


? ? 美國VR觸感手套廠商HaptX在2017年推出了一款名為HaptX Gloves的可穿戴觸覺反饋設備。Ben Lang說:“迄今為止,如果說有一款能讓我感覺是真正在觸摸虛擬物體的設備,那必須是HaptX VR手套?!?/span>


? ? 該款手套主要提供了兩種主要的反饋方式:一是壓力反饋,旨在為用戶提供更加細致觸摸感覺。為此,HaptX Gloves采用了微型氣動執行器陣列——小網格形狀的充氣氣囊,可以快速準確地充氣和放氣。當用戶在虛擬世界觸摸物體時,這些氣囊就會膨脹并按壓手掌和指尖,讓他們產生一種正在“真實”觸摸的感覺。


? ? 二是力反饋,它能推回或阻擋用戶的動作。為此,HaptX Gloves在每個手指上都搭載了一個機械制動器,可以防止手指進一步彎曲。舉個例子,當你抓住棒球時,你的手指會接觸到球的兩側并被球擋住。該設備就是模擬了這一點,它會阻止你的手指移動,如果你真的拿到一個實際物體,手指就會停止移動。


? ? 鄭州博觀電子科技有限公司是一家提供科技類物聯網開發軟硬件定制化方案服務商、也是中原地區領先的物聯網終端設備解決方案提供商。致力共享換電柜、智能充電樁、共享洗車機、物聯網軟硬件等服務平臺的方案開發與運維??偛课挥诤幽鲜∴嵵菔懈咝聟^,已取得國家高新技術企業認證證書。經過10多年的業務開拓,公司已經形成了以中原地區為中心、業務遍布全國的經營格局。


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